隨著電動汽車的逐漸普及，與電動汽車燃料動力電池相配到的電子元件研發(fā)速度也正在悄然加快，DC-DC變換器作為一種電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成元件，最近兩年中針對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)所推出的新產(chǎn)品也層出不窮。那么，在基于電動汽車燃料動力電池的運行特點基礎(chǔ)上所研發(fā)的DC-DC變換器產(chǎn)品，都要符合什么設(shè)計要求呢？

提升電壓

在目前的電動汽車燃料動力電池系統(tǒng)中，中小型燃料動力電池分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)更為多見，這也就對DC-DC變換器的設(shè)計提出了一個要求，那就是必須具備能夠快速提升電壓的用途。在這種分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，燃料動力電池整機(jī)輸出一般電壓不高，以10kW質(zhì)子交換膜燃料動力電池為例，它的輸出電壓范圍是85～120V。大大低于220V單相或是380V三相電網(wǎng)峰值電壓。而現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的不隔離逆變器大都為電壓型逆交器，有降壓的特性。所以在燃料動力電池輸出和到電網(wǎng)之間必須有一級是具有升壓功能的DC-DC變換器。

在寬輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定電壓

由于中小型燃料動力電池的分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特性要求，適用于該系統(tǒng)的前級DC-DC變換器還必須能夠在寬輸入范圍內(nèi)穩(wěn)定電壓。由于燃料動力電池本身是一個熱電聯(lián)合系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載功率來調(diào)節(jié)氣體的流量和壓力來調(diào)節(jié)輸出電壓。因此，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，如負(fù)載電流突然加大，燃料動力電池系統(tǒng)需對燃料流量、壓力做調(diào)節(jié)才能得到新的穩(wěn)定輸出電壓，而這一調(diào)節(jié)過程往往要有機(jī)械裝置來參與，所以具有較大的時間常數(shù)。并且，由于化學(xué)反應(yīng)受各種客觀因素的影響，如反應(yīng)堆的濕度、溫度等，使得本來不穩(wěn)定的輸出電壓更加不穩(wěn)定。圖1為小型電動汽車應(yīng)用的燃料動力電池在不同氫壓下的輸出特性，圖2為其在不同溫度下的輸出特性。

圖1

圖2

結(jié)合圖1和圖2給出的數(shù)據(jù)曲線比較，我們可以得出結(jié)論，那就是想要讓所設(shè)計的前級DC-DC變換器適應(yīng)電動汽車的驅(qū)動工作要，那么這一變換器產(chǎn)品不僅需具有提升電壓的功能，還應(yīng)能在燃料動力電池輸出電壓寬范圍變化時，供應(yīng)給后級逆變器穩(wěn)定的輸入電壓，并保證負(fù)載突變時，系統(tǒng)也能穩(wěn)定工作。

高效率的電能轉(zhuǎn)換

在目前的電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域中，不管是何種型號的燃料動力電池，它們都存在一個顯著的缺點，那就是價格昂貴。由于目前電動汽車的燃料動力電池大多使用氫作為燃料，而氫氣的出現(xiàn)和存儲的成本占了電池成本的很大一部分，這也是燃料動力電池成本降不下來的直接原因。所以，DC-DC變換器的工作效率關(guān)系著整個系統(tǒng)成本，它必須具備高效的電能轉(zhuǎn)換能力。

下圖中，圖3所示的是當(dāng)電動汽車的驅(qū)動機(jī)內(nèi)部溫度為40℃時，燃料動力電池輸出功率密度變化和輸出電壓關(guān)系的曲線中。從圖3所展示的曲線可以明顯的得出結(jié)論，即當(dāng)電流密度下降時，輸出電壓高，電壓損失小，電池發(fā)電效率高，燃料消耗少，也即運行成本較低。

但有一個問題要工程師特別注意，那就是功率密度將會隨著電流密度下降而下降，并進(jìn)一步造成燃料動力電池利用率下降，負(fù)載功率不變時要更大的燃料動力電池，這會讓設(shè)備成本增大。反之，選擇工作電流密皮大，則燃料動力電池利用率高，減少設(shè)備投資成本，但是電流密度大將使得電壓降增大，發(fā)電效率減小，運行成本新增。因此，工作點的選擇是設(shè)備成本和運行成本的折中。

圖3

低頻紋波的抑制

假如想要讓自己所設(shè)計的前級DC-DC變換器產(chǎn)品滿足電動汽車的使用要求，還必須具備優(yōu)秀的低頻紋波抑制能力。在電動汽車的行駛過程中，燃料動力電池的動態(tài)響應(yīng)重要通過調(diào)節(jié)燃料的流量來完成，所以受其機(jī)械裝置的慣性的限制，響應(yīng)速度很慢，不能適應(yīng)負(fù)載的要求。

小型電動汽車的燃料動力電池在正常運行的前提下，其本身從空載到5kW滿載切換和滿載到空載切換時輸出電壓波形如下圖圖4所示，圖4中所圈出的是負(fù)載變化時，電池的輸出電壓的變化。由圖4可知，當(dāng)電池負(fù)載從0加到滿載時，輸出電壓會有個下降過程，經(jīng)過大概0.5s后回到新的穩(wěn)態(tài)，而當(dāng)負(fù)載從滿載減到0時，輸出電壓會上升，然后經(jīng)過一個很長的時間（3s左右）達(dá)到另一個穩(wěn)態(tài)。

圖4

所以，當(dāng)電動汽車的燃料動力電池能效輸出存在低頻電流紋波時，根據(jù)燃料動力電池的輸出特性，燃料動力電池的輸出電壓和輸出功率也相應(yīng)地有波動。而由于調(diào)節(jié)速度慢，燃料流量必須設(shè)置到峰值功率所對應(yīng)的流量值，在峰值功率之外的工作點上，燃料的利用率就會下降。與此同時，這些電流紋波還將在內(nèi)阻上出現(xiàn)紋波電壓以及附加損耗。

除了上面所提到的幾個不利因素之外，還有一個問題也是低頻紋波所造成的，那就是對逆變系統(tǒng)的不利影響。在燃料動力電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由于是逆變系統(tǒng)，本身將在逆變器的輸入側(cè)引入一個與電網(wǎng)頻率有關(guān)的低頻電流諧波。這個電流諧波實際上可以等效為周期性突變的負(fù)載，假如諧波幅值很大，那么給電池帶來不利的影響，所以在前級DC-DC變換器的設(shè)計過程中，工程師必須采取一定的方法對其進(jìn)行抑制。